1964–2018 年黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟流域径流泥沙观测数据集

刘思君，敏玉芳，郭玉梅，刘立峰，雷欣，张耀南

1.黄河水土保持绥德治理监督局（绥德水土保持科学试验站），陕西榆林 719000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000

3.国家冰川冻土沙漠科学数据中心，兰州 730000

引 言

本数据集是绥德水土保持科学试验站在韭园沟流域沟口获得的径流泥沙长期观测数据，是研究水土流失规律和不同程度治理后的蓄水拦泥效益的重要数据，为黄河流域水沙变化研究和水土保持宏观决策也奠定了一定的基础[1]。韭园沟流域位于陕西省绥德县城北5 km 处，是无定河中游的一条支沟，流域面积70.7 km2，主沟长18 km，200 m 以上的支沟337 条，沟道平均比降为1.2%，沟壑密度为5.34 km/km2，流域海拔高度在820–1180m 之间[2]。流域内梁峁起伏，沟壑纵横，土地贫瘠，地形破碎，属于黄土丘陵沟壑区第一副区。该流域属于半干旱大陆性气候，据统计多年平均降雨量为475.1 mm，降雨年际变化大，年内分配极不均匀，汛期的七、八、九三个月降雨量占年降雨量的64.4%以上，且多以暴雨形式出现，一次暴雨产沙量往往为年产沙量的60%以上。为探索黄土丘陵沟壑区第一副区水土流失综合治理模式，有效减少入黄泥沙，黄河水利委员会于1952 年在绥德水土保持科学试验站建站时，选择韭园沟为示范小流域进行综合治理。1982 年韭园沟又被列为全国八大片水土流失重点治理区无定河流域重点治理小流域[2-3]。

韭园沟流域沟口径流泥沙观测站位于东经110º16'48"，北纬37º32'51"，控制面积70.1 km2。流域边界及设备布设图如图1 所示。韭园沟作为试验示范基地，多年来经过许多中外专家学者和广大科技人员的大量试验研究，取得了丰硕的成果，不仅为该流域治理提供了科学依据，也为我国广大水土流失地区起到了示范作用[3-7]。本数据集包含韭园沟流域1964–2018 年径流泥沙数据，观测数据包括测流断面的水位、流速和含沙量，计算出流量、输沙量、洪水总量、洪水输沙量、单位面积径流量、径流系数、单位面积土壤侵蚀量、逐日平均流量、逐日平均含沙量、逐日平均悬移质输沙率等数据。由于历史原因，1970–1973 年测站停测，致使观测项目缺测。

图1 黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟流域径流站布设图

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集

韭园沟流域沟口径流泥沙观测站观测水位、流速、含沙量3 项指标。各项观测数据采集方法如下：

水位：由测流断面建筑物上的水尺读取。非汛期每日8 时、20 时观测两次。汛期平水每日8 时、14 时、20 时观测3 次。洪水期观测水位涨落变化过程。一般在汛期将水尺校测一次；水尺零点高程有变动迹象，随时校测。

流量：流量通过观测断面的测流设施计算得出。韭园沟流域沟口径流泥沙观测站的测流设施变化情况见表1。

表1 韭园沟流域沟口径流泥沙观测断面变化表

平水时，分别利用泄水洞、三角堰、三角槽测流，其中泄水洞利用流速仪计算流量、三角堰及三角槽通过率定公式计算流量；洪水时，在矩形溢洪道断面采用浮标法测流[8]。一般非汛期每5 天测一次；汛期平水时，1–3 天观测一次；洪水期间根据洪水涨落情况增加测次，以控制住洪水变化过程为准。浮标系数由黄委子洲径流试验站浮标试验结果得出，见表2。

表2 不同风向、风力条件下浮标系数

含沙量：由于沟道水流湍急，断面内沙量分布均匀，用中泓浮标法[8]采取水样。平水时，取样次数与观测水位次数基本相同；洪水时，以控制住洪水含沙量变化过程为准。

1.2 数据处理

1.2.1 流量计算

泄水洞流量计算公式为：

式中：Q——流量（m3/s）；V——流速（m/s）；A——截面面积（m2）。

三角堰流量计算公式为：

式中：Q——流量（m3/s）；H——堰上水深（m）。

三角槽流量计算公式为：

式中：Q——流量（m3/s）；H——过槽水深（m）。

1.2.2 泥沙取样及处理

水样处理采用置换法，公式如下：

式中：ρ——实测含沙量（kg/m3）；V——样品容积（cm3）；WS——样品中泥沙重量（g）；WWS——瓶加浑水重（g）；WW——同温度下瓶加清水重（g）；γS——泥沙容重（g/cm3），经试验确定取2.65；γW——水的容重（g/cm3）；K——置换系数。

1.3 数据整理

专业人员通过测流断面观测水位、流速和含沙量3 项指标，计算出流量、输沙量、洪水总量、洪水输沙量、单位面积径流量、径流系数、单位面积土壤侵蚀量、逐日平均流量、逐日平均含沙量、逐日平均悬移质输沙率等数据。形成实测流量成果表、洪水水文要素摘录表、逐次洪水测验成果表、逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均悬移质输沙率表。

1.3.1 实测流量成果表

（1）整编汛期观测成果全部；（2）常流水根据实际情况测量；洪水根据洪水涨落情况进行加测，以能控制洪水变化过程为原则；（3）水面宽：通常指“平均水面宽”；（4）平均水深：通常指自由水面下的“平均水深”。

1.3.2 洪水水文要素摘录表

（1）选取较大洪水摘录其水位、流量、含沙量、输沙率的全过程，插补值也作摘录；（2）流量、含沙量变化的起止点也作摘录。

1.3.3 逐次洪水测验成果表

（1）月、日：洪峰起迄月日。洪水跨月日写为5-6 等。（2）雨情：雨量取该次洪水的全部雨量，用面积加权法求得，历时取该流域代表雨量站的历时；（3）洪水总量：指一次洪水的实测总量，包括基流在内。清水系由浑水扣除输沙量的体积。泥沙比重为1.35 g/cm3；（4）洪水历时：涨水、落水、合计以最高洪峰为分界，当平顶以中点为分界，多峰时不填涨、落历时，只填写合计；（5）洪水输沙量：指一次洪水的实测总量，不扣除基流，洪水输沙量（m3）等于洪水输沙量（t）除以流域泥沙比重；（6）流量：“最大”指出现在峰顶的最大瞬时流量。（7）含沙量：“最大”指该次洪水出现的最大断面平均含沙量。平均含沙量=洪水输沙量(t)乘以1000 除以浑水总量(m3)；（8）单位面积径流量（浑水、清水）=洪水总量（浑水、清水）除以流域面积；（9）径流系数（浑水、清水）=洪水总量（浑水、清水）除以雨量再除以流域面积再除以10；（10）单位面积土壤流失量=洪水输沙量除以流域面积。

1.3.4 逐日平均流量表

（1）本表摘录了韭园沟沟口站全年的逐日平均流量资料；（2）日平均流量：平水时期，每日观测时距相等时，用算术平均法计算。观测时距不等或部分时段河干时，采用面积包围法计算；洪水时期采用面积包围法计算。数据缺测时按直线内插得到插值；（3）月平均流量：该月逐日平均流量之和除以全月天数；（4）年平均流量：年总数除以年总天数；（5）年径流量：由年总数乘以一日秒数（86400）而得；（6）径流模数：由年平均流量(m3/s)除以集水面积(km2)再乘以1000；（7）径流深度：年径流量(m3)除以集水面积(km2)再除以1000。

1.3.5 逐日平均含沙量表

（1）日平均含沙量：日平均输沙率除以日平均流量；（2）月平均含沙量：由月平均输沙率除以月平均流量得到；（3）年平均含沙量：由年平均输沙率除以年平均流量算得；（4）月最大、最小含沙量及日期，在该月各次断面平均悬移质含沙量中选择最大、最小值填记，并注明其日期。

1.3.6 逐日平均悬移质输沙率表

（1）日平均悬移质输沙率：平水期含沙量变化不大，一日取一次水样者，即以此水样含沙量为日平均值，乘以日平均流量得日平均输沙率；（2）一日取几次水样者，取样时距相等，用算术平均法计算日平均含沙量，再乘以日平均流量得日平均输沙率。若一日内部分时间河干、洪水时期，流量变化较大，则应以各次断面含沙量乘以相应流量，得出各次输沙率，再用面积包围法计算日平均输沙率；（3）月平均输沙率：该月逐日平均输沙率之和除以全月天数；（4）年输沙量：以年总数乘以一日秒数(86400)得到；（5）年侵蚀模数：由年输沙量(t)除以集水面积(km2)得到。

2 数据样本描述

本数据按时间跨度分为5 个数据集，分别是1964–1979 年、1980–1990 年、1991–2000 年、2001–2010 年、2011–2018 年，其中1970–1973 年测站停测，数据缺失。每时段数据包含6 部分：实测流量成果数据、洪水水文要素摘录数据、逐次洪水测验成果数据、逐日平均流量数据、逐日平均含沙量数据、逐日平均悬移质输沙率数据，数据格式为xlsx。以1964 年部分数据为例介绍各数据样本（详见表3-表8）。

表3 实测流量成果表

表4 洪水水文要素摘录表

表5 逐次洪水测验成果表 集水面积：70.1 km2

表6 1964 年韭园沟沟口径流站逐日平均流量表

表7 1964 年韭园沟沟口径流站逐日平均含沙量表 含沙量单位：kg/m3

表8 1964 年韭园沟沟口逐日平均悬移质输沙率表

3 数据质量控制和评估

1964–2018 年韭园沟流域径流泥沙观测采用人工观测，根据1980 年水利电力部水利司主编的《水文测验手册 第三册（资料整编和审查）》[9]进行合理性及一致性检查分析；数据录入过程中经过初校、复校、审核三级人工校核，以确保数据质量。

4 数据使用方法和建议

本数据集提供了1964–2018 年黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟流域径流泥沙观测数据，可用于黄土丘陵沟壑区第一副区水土流失规律与不同程度治理后的蓄水拦泥效益研究，在国家冰川冻土沙漠科学数据中心和国家特殊环境、特殊功能观测研究台站共享平台提供全部数据下载服务。数据格式是xlsx，可通过Excel 软件打开使用。